彈齒鏈耙式播前殘膜回收機的設計研究

閆盼盼，曹肆林，羅　昕，胡　斌，李俊江，營雨琨，盧勇濤，王　敏

(1.石河子大學 機電學院，新疆 石河子　832000；2.新疆農(nóng)墾科學院，新疆 石河子　832000)

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彈齒鏈耙式播前殘膜回收機的設計研究

閆盼盼1，曹肆林2，羅昕1，胡斌1，李俊江1，營雨琨2，盧勇濤2，王敏2

(1.石河子大學 機電學院，新疆 石河子832000；2.新疆農(nóng)墾科學院，新疆 石河子832000)

摘要：隨著地膜覆蓋技術的推廣應用，殘膜帶來的白色污染越來越嚴重。為了減輕污染，不影響播種、出苗，研究設計了新型彈齒鏈耙式播前殘膜回收機。重點介紹了該機的總體結(jié)構(gòu)、工作原理，以及撿拾鏈耙、彈齒、脫膜機構(gòu)等關鍵部件的設計分析。田間試驗表明：該機生產(chǎn)率為0.85hm2/h，殘膜回收率為81%，滿足殘膜回收的技術要求，研究成果有利于解決殘膜污染問題。

關鍵詞：殘膜回收機；鏈耙式；彈齒

0引言

在我國西北干旱半干旱地區(qū)，為防止早春低溫，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，廣泛應用了地膜覆蓋栽培技術。目前，農(nóng)田使用聚乙烯地膜降解周期長，作物收獲后殘留在田間的地膜給土壤和環(huán)境造成極大的累積污染，同時影響播種等正常作業(yè)，急需對其進行有效回收。播前收膜是當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項重要的作業(yè)環(huán)節(jié)，可明顯降低種子播在殘膜上造成不出苗、死苗和爛苗等幾率，有利于農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)增收。

現(xiàn)階段殘膜回收主要有人工回收和機械回收兩種方式：人工回收殘膜效率低，勞動強度大，回收成本高，不適應大面積作業(yè)；機械回收殘膜可有效提高作業(yè)效率，降低勞動強度，是殘膜污染治理的重要途徑?，F(xiàn)有的播前收膜機械主要是摟膜耙和扎膜輥。摟膜耙可將地表膜摟起，但每前進一段距離需要停機卸膜，否則影響摟膜效果，且卸下的殘膜還需用其他機具運出田間，費時費力；扎膜輥可將地表膜軋在滾齒上，但需人工脫膜，脫膜困難[1-3]。針對這些問題，設計了一種彈齒鏈耙式播前殘膜回收機，可實現(xiàn)長距離作業(yè)和自動卸膜，減少了以往人工退膜程序和非作業(yè)時間，大大提高了勞動生產(chǎn)率。其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、作業(yè)效率高，為播前殘膜回收工作提供了一種新思路和新機具，緩解了春播期間勞動力緊缺的壓力。

1整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1整機結(jié)構(gòu)

該機的總體結(jié)構(gòu)包括機架、傳動系統(tǒng)、撿拾鏈耙、限深輪、集膜箱、卸膜油缸、齒輪箱及脫膜機構(gòu)等，如圖1所示。

1.機架　2.傳動系統(tǒng)　3.撿拾鏈耙　4.限深輪

1.2工作原理

該機收膜時，主要分為3個工作段：彈齒入土挑膜段—提升段—脫膜段。鏈耙工作時，脫膜段與地面平行，提升段底部的彈齒接觸地表。調(diào)整限深機構(gòu)至彈齒入土20～50mm，拖拉機拉動機具向前運動的同時，動力經(jīng)傳動系統(tǒng)驅(qū)動主動軸帶動鏈耙上的彈齒順時針轉(zhuǎn)動并挑起地表的殘膜；當彈齒轉(zhuǎn)動到脫膜段，齒尖朝下，大部分殘膜在重力作用下掉入集膜箱，少量未能自動脫落的殘膜在彈齒經(jīng)過脫膜機構(gòu)時被刷落；當集膜箱集滿時，將機具行駛到地頭，提升機具離開地面至一定高度，操控卸膜油缸打開集膜箱底板傾倒成堆。

1.3主要技術指標和技術參數(shù)

本機一次作業(yè)可實現(xiàn)撿膜及卸膜回收工作，主要參數(shù)如表1所示。

表1彈齒鏈耙式播前殘膜回收機的主要參數(shù)

Table 1Main parameters of spring-tooth-chain- rake incomplete plastic film recycling machine before planting machine

項目單位參數(shù)配套動力kW≤55工作幅寬m2工作深度mm20～50殘膜回收率%≥80%純小時生產(chǎn)率hm2/h≥0.8整機質(zhì)量kg450作業(yè)速度km/h4～6

2關鍵部件的設計

2.1撿拾鏈耙

2.1.1功能要求與設計思路

彈齒鏈耙式收膜裝置的主要作用有兩方面: 一是轉(zhuǎn)動鏈耙上的彈齒入土挑起殘膜；二是挑起的殘膜被鏈耙上的彈齒攜帶前進，在彈齒振動中實現(xiàn)膜雜分離，分離后的殘膜分別受重力作用和脫膜刷作用進入集膜箱。

因此，彈齒鏈耙式收膜裝置機構(gòu)的設計必須滿足以下要求: 一是要有合適的彈齒入土傾角及入土深度，能將殘膜順利地從土壤中挑出；經(jīng)過實地勘察和測量，表層至50mm深度是殘膜集中區(qū)，所以彈齒的入土深度確定為50mm。二是鏈耙的輸膜傾角要滿足在提升段土塊自行滑落，以減少含雜。三是結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、作業(yè)效率高。

彈齒入土傾角、入土深度、鏈耙轉(zhuǎn)速、鏈耙的輸膜傾角是影響撿拾鏈耙性能的重要指標。為了尋找合理的參數(shù)配置，以保證鏈耙工作時能夠連續(xù)收膜且盡量不漏撿，需要對彈齒的運動進行分析。

2.1.2彈齒的運動分析

取任一彈齒的頂點M，該點不僅隨著鏈耙作轉(zhuǎn)動，同時也隨機組水平向前運動。因其運動較為復雜，本文只分析彈齒從入土到出土這段時間內(nèi)的運動。如圖2所示：該運動中彈齒由A點入土經(jīng)過B點后從C點出土，此過程是一個從壓膜到挑膜的過程，彈齒隨機具的行走速度V一起移動，同時又以繞鏈耙從動輪軸心O做勻速轉(zhuǎn)動。彈齒的運動分析如圖2所示。

圖2　彈齒的運動分析

彈齒由A到C的時間為t，則彈齒端點M從A到B的運動軌跡方程為

(1)

式中V—機具的行走速度(m/s)；

t—A到C點的運動時間(s)；

R—撿拾機構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

ω—彈齒繞O點的旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)。

這里撿拾機構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑即彈齒的長度，下同。

假定撿拾耕層內(nèi)殘膜時，以彈齒在地面以下的作用面為有效撿拾面，即要使殘膜回收機工作時不漏撿，前一排撿膜彈齒端點經(jīng)過有效撿拾面離開地面時，下一排彈齒的端點至少應進入地面，如圖3所示。

圖3　彈齒的運動軌跡

由圖3可知：h=R(1-cosα)，2Rsinα=O1O2。工作時不能漏撿應滿足：2Rsinα≥V(t2-t1)。

當半徑R轉(zhuǎn)過角度2α時，其經(jīng)過的時間為t1也是撿拾彈齒從入土到出土所經(jīng)過的時間，因此t1=2α/ω。設同一圓周上彈齒的排數(shù)為n，則相鄰兩排彈齒之間的夾角為β=2π/n；下一排彈齒轉(zhuǎn)過β角后，它的齒端位于A2，所經(jīng)過的時間是t2=2π/nω。將t1、t2帶入上式求解得

由上式求解得

經(jīng)整理，得

(2)

式中v—機具的行走速度(m/s)；

t—A到C點的運動時間(s)；

R—撿拾機構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

ω—彈齒繞O點的旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

h—彈齒的入土深度(mm);

α—彈齒的入土傾角(°)；

n—鏈耙圓周上的彈齒排數(shù)。

綜上可以得出：只要確定機具的行走速度、彈齒的長度、彈齒的入土深度和鏈耙圓周上的彈齒排數(shù)，就可以確定對應撿拾鏈耙的旋轉(zhuǎn)角速度ω。因此，撿拾機構(gòu)在適當配置鏈耙旋轉(zhuǎn)角速度ω的情況下，就可具有連續(xù)撿膜的功能[3-4]。

2.1.3彈齒入土傾角的設置

彈齒撿膜的工作過程是彈齒以一定角度進入土壤，將耕層內(nèi)的殘膜挑起，再將其挑離整個土面的過程，是一個復雜的非線性結(jié)構(gòu)動力學問題。當?shù)貕K較硬、地表殘膜較多時，土壤和殘膜對彈齒的阻力較大。為避免彈齒彎曲過大及彈齒入土后能把殘膜撿拾上來，需要增大彈齒入土傾角；但過大的入土傾角會減少單排彈齒的撿拾距離，容易引起漏撿。經(jīng)試驗，彈齒合適的入土傾角為10°～20°。

2.1.4鏈耙轉(zhuǎn)速的設置

鏈耙轉(zhuǎn)速關系到整機的工作效率：轉(zhuǎn)速過高，容易打碎地膜，給地膜回收增加更大的難度，且過高的轉(zhuǎn)速會加劇彈齒的磨損，導致彈齒疲勞破壞，降低使用壽命；過低的轉(zhuǎn)速會降低收膜機的工作效率，更重要的是鏈耙轉(zhuǎn)速的高低關系到鏈耙是否可以連續(xù)收膜。本文由上面得出的彈齒入土傾角的范圍、彈齒入土深度及機組前進速度可以得出鏈耙的旋轉(zhuǎn)角速度，取h=50mm,α=15°，v=6m/s，R=150mm；又由相鄰兩排彈齒的間距即彈齒固定軸之間的距離d=2πr/n及本文鏈條和鏈輪采用的型號為24A，鏈節(jié)距為38，得到n=4.4，取n=5。其中，r為鏈耙的半徑，r=108mm；d=152mm。把h、R、n、α、ν的值帶入到公式(2)，得到ω≥13.8rad/s。這時，鏈耙可實現(xiàn)連續(xù)收膜，不會漏撿。本文設計鏈耙主動軸的轉(zhuǎn)速為135r/min。

2.1.5鏈耙輸膜傾角的設置

因為鏈耙輸膜傾角的大小關系到在提升段土粒振落下來的能力，所以要設計一個大小合適的值，防止土粒在提升段降落進入集膜箱，需要分析土粒在鏈耙提升段的受力情況。

取鏈耙提升段任意1位置的土粒并對其進行受力分析,如圖4所示。鏈耙對土粒具有法向作用力N及摩擦力F，兩者的合力為R，φ為土粒與鏈耙的摩擦角，θ為鏈耙輸膜傾角。N可分解為使土粒隨鏈耙一起運動的作用力p及土粒沿鏈耙向上滑動的作用力T[5-6]。土粒向地表下落的條件為

F>T

由于F=Ntanφ，T=Ntan(90°-θ)，因此Ntanφ>Ntan(90°-θ)，即φ>90°-θ，θ>90°-φ。所以，鏈耙的輸膜傾角θ取決于土粒對鏈耙的摩擦角，如果θ>90°-φ，則土粒在提升段順利落下，不會進入集膜箱。經(jīng)試驗,一般土粒與鋼的摩擦角是15°～40°，所以鏈耙的輸膜傾角θ要大于50°～75°，本文取θ=60°。

圖4　土粒的受力分析

2.1.6撿拾鏈耙結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)以上對不漏檢條件的分析計算，設計出彈齒鏈耙式收膜裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置的主要結(jié)構(gòu)有鏈輪、鏈條、彈齒、彈齒固定軸及張緊輪組成。其輸膜傾角為60°，彈齒固定軸繞鏈耙1周均勻地排列，固定軸間距為152mm，共31排，如圖5所示?？紤]到工作環(huán)境的惡劣及較大的沖擊載荷，鏈條和鏈輪采用的型號為24A，每相隔4個節(jié)距的內(nèi)鏈板采用雙耳結(jié)構(gòu)，用來安裝彈齒固定軸。彈齒固定軸通過螺栓連接固定在內(nèi)鏈板上，由于工作時鏈耙振動較大，為防止螺栓松動，全部采用鎖緊螺母。

1.鏈耙主動輪　2.彈齒固定軸　3.彈齒

2.2彈齒的設計

彈齒是播前殘膜回收機的關鍵部件，其作用是將散落在地表及嵌在耕層內(nèi)小于等于50mm深度的殘膜從土壤挑出地面，然后由撿拾鏈耙輸送進入集膜箱。因此，要求彈齒在滿足工作需求的條件下結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。

為便于安裝和拆卸，同時又能有較大的強度和穩(wěn)定性，彈齒采用對稱雙彈齒結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)各有3圈螺旋彈簧結(jié)構(gòu)。彈齒材料為65Mn、直徑為6.0mm、一端設計有φ10.0mm的螺栓定位孔；同時，與該定位孔垂直的方向上設計有螺旋彈簧式的定位孔，便于安裝拆卸。由于彈齒入土深度為50mm，彈齒長度L在設計時需要有一定的富余量，同時考慮到彈齒端部受力較大，長度越大變形量也越大，彈齒長度L取150mm，如圖6所示。為了詳細地分析彈齒受力，對彈齒進行了有限元分析。

2.2.1建立有限元模型

通過SolidWorks三維軟件對彈齒進行三維建模，如圖7所示。將模型保存為.x-t格式并導入ANSYS/Wokebench有限元分析軟件中，進行靜應力分析。經(jīng)查閱材料手冊，得到65Mn材料的基本特征：泊松比為0.3，屈服強度為784MPa，抗拉強度為980MPa，彈性模量為210GPa。劃分網(wǎng)格時，單元采用三維四面體單元Solid92單元。根據(jù)實際受力情況，彈齒固定軸上的固定孔周圍受力較大，計算精度要求較高，因此固定孔及螺旋彈簧處需要較細的網(wǎng)格劃分，共劃分了8 165個單元，得到15 060個節(jié)點。

圖6　彈齒的結(jié)構(gòu)圖

圖7　彈齒的三維圖

2.2.2加載和約束

由于彈齒受力是一個動態(tài)的過程，為便于分析，選取彈齒入土最深時的極限載荷條件，即鏈耙旋轉(zhuǎn)撿拾殘膜時彈齒端點M運動到B點的狀態(tài)。此時，彈齒在土壤中的深度達到最大值50mm，受到的土壤阻力也最大。

在定義彈齒邊界條件時，為了讓彈齒的底端不發(fā)生位移變化，需要對其全部自由度進行約束。彈齒圓環(huán)固定在彈齒固定軸上，受到兩個方向的約束，整個彈齒相當于懸臂梁結(jié)構(gòu)。

2.2.3有限元分析的結(jié)果

通過有限元分析，得到彈齒的應力應變結(jié)果，如圖8、圖9所示。其最大的應力發(fā)生在螺旋圓環(huán)與彈齒直桿連接處，應力值為552.08MPa。由于材料的抗拉強度為980MPa，取安全系數(shù)為1.5，該材料許用應力[σb]=653MPa，因此σ<[σb]。從圖8、圖9可以看出：最大變形量發(fā)生在彈齒頂端，最大位移值為1.88mm；該位移相對整個彈齒較小，在許可范圍之內(nèi)。因此，該鏈耙式收膜裝置的彈齒符合設計要求。

圖8　彈齒的應力云圖

圖9　彈齒的變形云圖

2.3彈齒的排列

據(jù)田間調(diào)查殘膜主要是以4～25cm2的大小存在于土壤中[7]，所以本文針對耕層內(nèi)面積為4cm2的殘膜設計同一固定軸上彈齒的間距，且相對的上下固定軸上的彈齒呈交錯排布。彈齒通過螺栓在彈齒固定軸上均勻安裝，每排共12個，相鄰彈齒間距為85mm，如圖10所示。

2.4脫膜機構(gòu)的設計

脫膜機構(gòu)的設計是殘膜回收機研制的關鍵環(huán)節(jié)，但由于殘膜具有吸附、纏繞等復雜的物理特性，根據(jù)機型的不同，現(xiàn)在主要的脫膜方法有人工脫膜、伸縮桿齒脫膜和脫膜葉片脫膜等。相比后兩種脫膜方法可知：人工脫膜效率較低，勞動強度較大，可控性較差；伸縮桿齒結(jié)構(gòu)復雜，機具的正常工作受桿齒變形的影響較大。脫膜葉片結(jié)構(gòu)緊湊，相比前兩種，其工作可靠性高；但由于現(xiàn)有葉片脫膜裝置為滾筒型，且在滾筒圓周方向均布有脫膜葉片，工作時葉片與撿拾機構(gòu)的運動方向正好相反，此種作用方式屬逆向脫膜，殘膜容易被撕裂，且在這種單次作用方式下不易使殘膜與撿拾機構(gòu)有效分離，脫膜效果差[8-10]。

針對上述問題，本文設計了一種新型的脫膜機構(gòu)。該機構(gòu)安裝在鏈帶脫膜段前部下方的機架上，由脫膜架和脫膜刷組成，且脫膜刷安裝在脫膜架的矩形槽內(nèi)，刷尖朝彈齒方向與豎直面成45°角。脫膜刷可以用彈性橡膠帶、硬質(zhì)毛刷等代替。如圖11所示：當彈齒轉(zhuǎn)動到脫膜段時，齒尖朝下，隨著彈齒的轉(zhuǎn)動，脫膜刷將扎、套在彈齒上的殘膜梳刷到集膜箱。同時，可以通過調(diào)整螺栓在U型孔中的位置調(diào)整脫膜架中脫膜刷的位置，使脫膜刷與彈齒接觸的長度與彈齒的入土深度一致。

圖10　彈齒在彈齒固定軸上的安裝方式

圖11　脫模機構(gòu)

3田間試驗

試驗在新疆石河子市145團場進行，作業(yè)塊地為春播前經(jīng)過整地后的棉田。通過試驗得到以下結(jié)果: 殘膜回收機行駛速度在4～6km/h的情況下，殘膜回收率為81%，純小時生產(chǎn)率為0.85hm2/h，符合農(nóng)業(yè)部行業(yè)標準《殘地膜回收機作業(yè)質(zhì)量》NY/T1227—2006的相關要求。田間試驗場景如圖12所示。

圖12　田間試驗

4結(jié)論

本文得出了影響彈齒鏈耙式播前殘膜回收機構(gòu)性能的主要因素：彈齒入土傾角為10°～20°，輸膜傾角為50°～75°，鏈耙轉(zhuǎn)速為135r/min；同時，通過對彈齒的運動分析，得到彈齒的運動軌跡和連續(xù)收膜的條件。脫膜機構(gòu)的設計減少了以往人工退膜程序和非作業(yè)時間，解決了摟膜彈齒脫膜技術難題，大大提高了勞動生產(chǎn)率。田間試驗表明：殘膜回收率大于80%，且結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)效率高、價格便宜，可以滿足農(nóng)戶殘膜回收的要求，適宜在兵團大面積推廣。

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Research on the Spring-tooth-chain- rake Incomplete Plastic Film Recycling Machine

Yan Panpan1, Cao Silin2, Luo Xin1, Hu Bin1, Li Junjiang1, Ying Yukun2, Lu Yongtao2, Wang Min2

(1.Mechanical and Electrical Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2.Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science, Shihezi 832000, China)

Abstract：With the popularization and application of mulching technology,white pollution caused by plastic film is getting worse.In order to reduce pollution, does not affect seeding, emergence, design a new type of spring-tooth-chain- rake incomplete plastic film recycling machine before planting machine.It highlights the aircraft's overall structure, working principle, key components such as pick-up chain harrow, spring-tooth, taking off the membrane mechanism for design analysis.Field test showed that the aircraft pure-hour production rate is 0.85hm2/h,recovery of plastic film is 81%. The plastic film recycling can meet the technical requirements and the study results may help solve the problem of plastic film pollution.

Key words：plastic film recycling machine; chain rake; spring-tooth

文章編號：1003-188X(2016)06-0137-06

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

作者簡介：閆盼盼(1989-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)958059401@qq.com。通訊作者：曹肆林(1982-)，男，安徽望江人，副研究員，(E-mail)csl405240@sohu.com。

基金項目：新疆生產(chǎn)建設兵團重大科技專項(2014AA002-4)

收稿日期：2015-07-06